Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm để xác định các chế độ sấy tầng sôi phù hợp cho phương pháp sấy “2 giai đoạn” đối với lúa

Nội dung text: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm để xác định các chế độ sấy tầng sôi phù hợp cho phương pháp sấy “2 giai đoạn” đối với lúa

1. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm để xác định các chế độ sấy tầng sôi phù hợp cho phương pháp sấy “2 giai đoạn” đối với lúa. "Research, design and manufacture of an experimental drying system in order to etermine an optimal fluidized-bed drying regime in the two-stage drying method for raw paddy” Ks. Nguyễn Văn Sự 1, TS. Phạm Văn Tấn1 Phân viện cơ điện Nông nghiệp và công nghệ sau thu hoạch1 TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, mô hình được tính toán, thiết kế và chế tạo đã đáp ứng được các yêu cầu nghiên cứu về sấy tầng sôi trong phương pháp “sấy 2 giai đoạn”. Nó có thể đo được các thông số của tác nhân sấy như nhiệt độ sấy, thời gian sấy, vận tốc tác nhân sấy, và điều chỉnh được các mức nhiệt độ sấy khác nhau để đáp ứng các yêu cầu của thí nghiệm sấy. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, đã xác định được các mô hình thống kê và các chế độ sấy tầng sôi tối ưu nhất. Kết quả tính toán tối ưu hoá đã xác định được chế độ sấy tầng sôi tối ưu là: Thời gian sấy tầng sôi t = 2,9 phút, và nhiệt độ sấy tầng sôi là T = 64 0C; và thời gian ủ tối ưu sau khi sấy tầng sôi là 80 phút. Độ ẩm của lúa sau khi sấy tầng sôi đạt được là Wtư = 18,95 % và tỉ lệ rạn nứt hạt là τ = 3,35%. Từ khoá: “sấy tầng sôi”, “sấy 2 giai đoạn”, “thời gian sấy”, nhiệt độ sấy” ABSTRACT In this research, The model was calculated, designed and manufactured in accordance with the requirements of the study. It can measure parameters of the drying medium such as drying temperature, drying time, velocity of the drying medium, and vary different levels of the drying temperature to meet requirements of the drying experiment. By experimental planning methods, a statistical model and an optimal drying regime in the fluidized bed dryer were determined. By optimization method, an optimal drying regime of the fluidized bed dryer was determined as follows: Optimal drying time and drying temperature were t = 2.9 minutes and T = 64oC, respectively; and optimal tempering time after fluidizaed bed drying was 80 minutes. Moisture content of the paddy after fluidized bed drying was Wtu = 18.95%wb and fissure percentage of the paddy was τ = 3.35 %. Key: “fluidized-bed drying”, “two-stage drying”, “drying temperature”, “drying time” MỞ ĐẦU Sản xuất lúa của ĐBSCL trong những năm gần đây có những bước phát triển đáng khích lệ. Mặc dù đã có một số tiến bộ kỹ thuật nhưng nhìn rộng ra toàn chuỗi cung ứng lúa gạo của ĐBSCL thì sấy lúa là một khâu sau thu hoạch quan trọng và đang bị yếu kém nhất so với tất cả các khâu khác từ làm đất đến xay xát. Chủ trương của nhà nước và nhu cầu gieo sạ lúa
2. đồng loạt để né “rầy” , đồng thời máy gặt đập liên hợp phát triển nhiều dẫn đến vào thời điểm thu hoạch hàng loạt các lò sấy bị quá tải tồn đọng sấy không kịp nên phần lớn lúa bị nảy mầm và giảm chất lượng. Đề tài đề xuất phương pháp “sấy 2 giai đoạn” sấy nhanh để nâng cao năng lực sấy, với mục đích chế tạo mô hình “sấy 2 giai đoạn” sử dụng sấy tầng sôi ở giai đoạn đầu và thí nghiệm xác định nhiệt độ sấy, thời gian sấy tầng sôi, thời giản ủ tối ưu nhất nhưng vẫn đảm bảo chất lượng lúa gạo. Hiện tại có rất nhiều phương pháp làm khô lúa như: Phương pháp phơi khô tự nhiên dùng ánh nắng mặt trời, kết quả là nhiệt độ hạt lúa có thể lên đến 500C và nước bên trong hạt không đủ thời gian khuếch tán ra ngoài, làm cho hạt gạo bị nứt nẻ, độ ẩm lúa không đồng đều, phụ thuộc nhiều vào thời tiết. Phương pháp sấy tỉnh vỉ ngang: dùng khối không khí nóng đi xuyên qua lớp lúa để sấy khô. Các máy sấy này thường có năng suất từ 6 đến 50 tấn/mẻ, với thời gian sấy dao động từ 12 đến 48 giờ tùy theo độ ẩm ban đầu và cuối cùng của lúa được sấy, tuy nhiên độ ẩm sau khi sấy không đồng đều, độ chênh lệnh độ ẩm tại các vị trí khảo sát trên buồng sấy là 4% ẩm độ. Phương pháp sấy tháp: một số máy sấy tháp có năng suất từ 20-30 tấn/mẻ đã được nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và đưa vào ứng dụng ở ĐBSCL. Sấy 2 giai đoạn bao gồm: Sấy tốc độ rất nhanh ở giai đoạn đầu, lúc độ ẩm của vật liệu còn cao; và sấy tốc độ chậm dần ở giai đoạn cuối, khi độ ẩm của vật liệu sấy đã xuống thấp. Giai đoạn I: Dùng máy sấy tầng sôi để giảm độ ẩm của hạt 26 - 30% xuống còn 18-22%. Sau đó đem ủ khoảng 1 đến 2 giờ. Giai đoạn II: Dùng máy sấy tỉnh vỉ ngang hoặc máy sấy tháp để tiếp tục giảm độ ẩm của hạt xuống còn 14%, trước khi bảo quản hoặc xay xát. Cần phải xác định được thời gian sấy và nhiệt độ sấy Hình 1. Đường đặc tính sấy 2 giai đoạn bao nhiêu là tối ưu nhất cho sấy tầng sôi. Nếu thời gian lưu ngắn quá sẽ làm giảm năng suất của máy sấy, nếu lưu dài quá có thể làm cháy xém hạt lúa, làm tăng độ rạn nứt ngầm của hạt. Mục đích của ủ lúa sau khi sấy giai đoạn 1 là để hơi nước ở giữa hạt có đủ thời gian để khuếch tán ra các lớp phía vỏ trấu bên ngoài, tạo điều kiện thuận lợi để nó dễ bốc hơi trong giai đoạn sấy sau cùng. PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM Trong nghiên cứu này, mô hình sấy tầng sôi theo mẻ được tính toán thiết kế và chế tạo để tiến hành thí nghiệm xác định các thông số của tác nhân sấy tầng sôi (hình 2). Nguyên lý hoạt động: Không khí được đưa vào bộ trao đổi nhiệt nhờ quạt ly tâm thổi qua bộ trao đổi nhiệt. Bộ phận trao đổi nhiệt đốt nóng khối không khí bằng điện trở. Khối không khí nóng tiếp tục được thổi đến buồng sấy tầng sôi. Lúa được nạp vào cốc sấy phần hình trụ của ống sấy. Khí nóng được thổi từ phía dưới lên buồng sấy qua lớp lưới. Tại đây, nhờ áp suất của quạt thổi
3. nên khối không khí nóng đã nâng, làm sôi và trao đổi nhiệt với lúa. Sau khi trao đổi nhiệt xong khối không khí mang ẩm đến Cyclone lắng tạp chất và đi ra ngoài. 1_quạt ly tâm; 2_bộ trao đổi nhiệt; 3_buồng sấy; 4_Cyclone lắn bụi;5_tủ điều khiển; 6_ống hồi lưu; Hình 2 Cấu tạo mô hình sấy tầng sôi theo mẻ Tiến hành thí nghiệm: Đối tượng nghiên cứu là giống lúa OM5451 phổ biến ở ĐBSCL được thu hoạch trong vụ Hè – Thu, độ ẩm từ 23% đến 26%, đưa vào bảo quản tạm trong buồng lạnh tại nhiệt độ 4oC-5oC để lưu trữ phục vụ sấy thí nghiệm. Các mô hình thí nghiệm được thiết kế hình 3 và mô hình thống kê bậc 2 cho 12 mẫu được thể hiện ở hình 4. Hình 3. Thiết kế TN sấy tầng sôi và ủ sau khi sấy Hình 4. Mô hình thống kê bậc 2 Xây dựng bài toán hộp đen: Từ mục tiêu nghiên cứu, đề tài chọn các thông số đầu ra và bài toán hộp đen biểu diễn quá trình nghiên cứu bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm. Thông số đầu vào của hộp đen Thông số đầu ra x1: Thời gian sấy (phút). y1: Ẩm độ sau khi sấy Wb(%). 0 x2: Nhiệt độ sấy ( C). y2: Tỉ lệ gạo rạn nứt sau khi sấy τ (%) KẾT QUẢ
4. Kết quả xử lý số liệu thực nghiệm được thể hiện ở bảng 1 Bảng 1. Kết quả bố trí và thực nghiệm Phân tích kết quả Hàm ẩm Kết quả tính toán mô hình toán hàm độ ẩm y1 theo chương trình Statgraphic Centurion có phương trình hồi quy là: y1 = 55.1453 - 2.31516x1 - 2 0.907946x2 + 0.229375x1 + 2 0.00650003x2 Ở dạng thực ta có mô hình toán mô tả hàm độ ẩm của lúa sau khi sấy: Wb = 55.1453 - 2.31516t - 0.907946T + 0.229375t2 + 0.00650003T2 Standardized Pareto Chart for y1 Contours of Estimated Response Surface DO THI 70 y1 + 17.0 A:x1 - 28 66 18.0 19.0 26 20.0 B:x2 62 24 21.0 22.0 22 T(0C) 58 23.0 AA 20 Wb Wb (%) 24.0 18 70 54 25.0 65 BB 16 60 26.0 0 55 27.0 1 2 50 T (0C) 50 3 4 5 28.0 t (phut) 0 1 2 3 4 5 0 3 6 9 12 15 t (phut) Standardized effect Hình 5 Đồ thị quan hệ Wb – Hình 6 Đồ thị quan hệ Wb – t – T Hình 7 Ảnh hưởng của thời gian và t – T dạng không gian 3 chiều dạng phẳng nhiệt độ đến độ ẩm của lúa sau khi sấy Thông qua đồ thị trên ta nhận thấy rằng, thời gian sấy ảnh hưởng lớn nhất và tỉ lệ nghịch với độ ẩm sau khi sấy của lúa. Thời gian sấy càng dài thì độ ẩm của lúa sau khi sấy càng thấp. Nhiệt độ sấy càng cao thì độ ẩm của lúa sau khi sấy càng thấp Hàm tỉ lệ rạn nứt hạt Kết quả tính toán mô hình toán hàm độ ẩm y2 theo chương trình Statgraphic Centurion có phương trình hồi quy là: 2 2 y2 = -10.8249 + 1.87386x1 + 0.314807x2 - 0.0289063x1 - 0.02075x1x2 - 0.00178126x2 Ở dạng thực ta có mô hình toán mô tả hàm độ ẩm của lúa sau khi sấy: τ = -10.8249 + 1.87386t + 0.314807T - 0.0289063t2 - 0.02075t.T - 0.00178126T2 Thông qua đồ thị trên ta nhận thấy rằng tỉ lệ rạn nứt của lúa sau khi sấy chịu ảnh hưởng đồng thời và tỉ lệ thuận với hai thông số sấy cơ bản là thời gian và nhiệt độ sấy. Thời gian sấy càng
5. dài và nhiệt độ sấy càng cao thì tỉ lệ rạn nứt của lúa sau khi sấy càng lớn. Trong đó, yếu tố thời gian sấy có ảnh hưởng lớn nhất đến tỉ lệ rạn nứt hạt lúa sau khi sấy. Standardized Pareto Chart for y2 DO THI DANG PHANG DO THI 70 y2 A:x1 + 0.0 - 66 0.5 5 1.0 B:x2 1.5 62 4 2.0 2.5 AB 3 T (0C) 58 3.0 3.5 BB 2 54 4.0 4.5 1 70 TI LE RAN NUT TI RAN LE 65 50 5.0 AA 0 60 0 1 2 3 4 5 5.5 0 55 1 2 3 50 t (phut) 0 10 20 30 40 4 5 T (0C) t (phut) Standardized effect Hình 9. Đồ thị quan hệ giữa τ – t Hình 8. Đồ thị quan hệ giữa τ Hình 10. Sự ảnh hưởng của thời – T dạng phẳng – t – T dạng kg 3 chiều gian và nhiệt độ sấy đến tỉ lệ rạn nứt của lúa sau khi sấy Chỉ tiêu tối ưu: Chỉ tiêu tối ưu độ ẩm lúa sau khi sấy Wb = 18.9123 % và chỉ tiêu tối ưu tỉ lệ rạn nứt của hạt là τ = 3.35763 %. Thông số tác nhân tối ưu của tác nhân là: + Thời gian sấy tối ưu là: 2,9 phút + Nhiệt độ sấy tối ưu là : 63,6 0C Ảnh hưởng của thời gian ủ đến tỉ lệ thu hồi gạo nguyên Thời gian ủ càng ngắn thì tỉ lệ gãy vỡ hạt gạo càng cao, vì không có đủ thời gian để độ ẩm cân bằng trong phạm vi từng hạt và trong cả khối hạt nên khi xay xát tỉ lệ thu hồi gạo nguyên rất thấp. Tỉ lệ thu hồi gạo nguyên tăng dần đến mức giới hạn là 80 phút rồi giảm, nhưng giảm chậm vì thời gian ủ quá lâu làm hạt gạo sẽ khô và cứng tạm thời nên giòn dễ gãy vỡ trong xay xát. Hình 11. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian ủ đến tỉ lệ thu hồi gạo nguyên THẢO LUẬN Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố đã xác định được các giá trị tối ưu của các tác nhân sấy tầng sôi giai đoạn 1 bao gồm: Thời gian sấy: 2,9 phút, Nhiệt độ sấy: 640C, và thời gian ủ trong khoản 70 ÷ 90 phút thì tỉ lệ thu hồi gạo nguyên khoảng 57 %. Các thông số thời gian sấy là 2,9 phút đáp ứng được bản chất của quá trình sấy tầng sôi. Đồng thời nhiệt độ sấy cao 640C nhưng chưa vượt qua nhiệt độ hồ hoá của gạo sẽ phát huy được hiệu quả sấy tốt nhất mà chất lượng lúa gạo vẫn được đảm bảo. Kết quả thí nghiệm này đáng tin cậy hơn Theo nghiên cứu của Thục Tuyền et al. 2009, nhiệt độ sấy 75-90oC, thời gian sấy 2,5-3 phút, tiếp theo ủ ở nhiệt độ cao 75-86oC đã gây hồ hóa gạo.
6. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Kết quả thí nghiệm sấy 2 giai đoạn và ứng dụng phương pháp tối ưu hoá, đề tài đã xác định được các giá trị tối ưu của các TNS tầng sôi giai đoạn 1 là: Thời gian sấy tầng sôi t = 2,9 phút, và nhiệt độ sấy tầng sôi là T = 640C; và chỉ số tối ưu của thời gian ủ là 80 phút. Độ ẩm của lúa sau khi sấy là W = 18,95 % và tỉ lệ rạn nứt là τ = 3,35%. Để tiết kiệm chi phí năng lượng, cần có những nghiên cứu về tỉ lệ hồi lưu TNS phù hợp sau quá trình sấy tầng sôi. Trên cơ sở các kế quả nghiên cứu này tiếp tục thử nghiệm ở quy mô công nghiệp và từng bước ứng dụng vào thực tế sản xuất để nâng cao hiệu suất sấy và đảm bảo tốt hơn chất lượng lúa gạo. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Như Nam – Trần Thị Thanh, Giáo trình kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm ĐH Nông Lâm TP. HCM [2] PGS.TS Phùng Rân. Quy hoạch thực nghiệm ứng dụng. Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM, 2006, tr. 30 – 52. [3] Phạm Văn Tấn, Giải pháp cho sấy lúa và xu hướng phát triển mô hình sấy lúa ở Đồng Bằng Sông Cửu Long [4] Tập san Hội thảo Tổng kết Chương trình CARD 026/VIE05, 2006-2009 “Điều tra Kiểm soát Sự Nứt hạt lúa trên đồng ruộng và Sau thu hoạch ở ĐBSCL, Việt Nam” Trương Thục Tuyền, Trương Vĩnh, Bhesh Bhandari & Shu Fukai 2009. Ảnh hưởng của chế độ sấy tầng sôi và ủ ở nhiệt độ cao đến sự nứt gãy và chất lượng gạo TP. Rạch Giá, tỉnh Kiên Giang, 26- 27/11/2009. Trang 68-75 [5] Ibrahim, D. 2009. Two-stage drying of paddy and the effects on milled rice quality. Master thesis, Kwame Nkrumah University of Science and Technology
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn B n ti ng Vi t ©, T NG I H C S PH M K THU T TP. H CHÍ MINH và TÁC GI Bản quếy n táệc ph mRƯ ãỜ cĐ bẠ o hỌ b Ưi Lu tẠ xu t Ỹb n vàẬ Lu t S hỒ u trí tu Vi t Nam. NgẢhiêm c m m i hình th c xu t b n, sao ch p, phát tán n i dung khi c a có s ng ý c a tác gi và ả ng ề i h ẩ pđh đưm ợK thuả tộ TP.ở H ậChí Mấinh.ả ậ ở ữ ệ ệ ấ ọ ứ ấ ả ụ ộ hư ự đồ ủ ả Trườ Đạ ọCcÓ Sư BÀI BạÁO KHỹ OA ậH C T ồT, C N CHUNG TAY B O V TÁC QUY N! ĐỂ Ọ Ố Ầ Ả Ệ Ề Th c hi n theo MTCL & KHTHMTCL h c 2017-2018 c a T vi n ng i h c S ph m K thu t Tp. H Chí Minh. ự ệ Năm ọ ủ hư ệ Trườ Đạ ọ ư ạ ỹ ậ ồ